印刷线路板微过孔成形工艺选用原则

线路板上的微过孔可用几种工艺形成,最常用的两种方法是激光蚀刻和机械钻孔,使用哪一种应由产品的具体要求来决定。本文对激光蚀刻和机械钻孔工艺进行简要介绍,以帮助工艺技术人员在实际操作过程中根据需要选出最佳应用方法。

Lee Ekblad

项目工程师

lekblad@

Michael Kauf博士

营销经理

mkauf@

Excellon Automation Co.

线路板上的微过孔通常直径为0.002?(0.05mm)至0.008?(0.20mm),这些过孔一般分为三类,即盲孔、埋孔和通孔。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于表层线路和下面的内层线路的连接,孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔,它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层,层压前利用通孔成型工艺完成,在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔,这种孔穿过整个线路板,可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。

计算微过孔工艺成本应对各方法涉及的问题全面加以衡量,它们比设备的价格要重要得多(表1)。

在选择微过孔制作方法时,单位过孔制作成本是应考虑的一个重要因素。近年来很多应用表明,用机械式方法制作盲孔和通孔已取得一定的进展而且成本较低。

机械钻孔工艺

过去五年里,先进的单轴及多轴钻孔系统已取得很大进步。由于采用有限元分析设计,机器的稳定性有了很大改进,能够以很快的速度开发出钻孔设备,使机器性能更快稳定下来,从而提高每分钟钻孔数量。

最近研制出一种带空气轴承的钻头,转速可达170krpm以上。钻孔时为得到最大的产量需要有较高转速,板上测量工具则可以监测钻头状态和钻孔尺寸。

目前正在研制一种用于进行盲孔深度控制的新型高精度深度控制传感技术,它是压力感应探头的重要组成部分,采用了最新研究的电场传感技术。每一个传感器信号都通过专用的微处理器进行处理,这样可以并行地处理每个传感器的信号,使钻头状态分析更加迅速准确。其原理是检测钻头和线路板表面的实际接触情况,它能使操作员将钻孔深度控制在±0.0002?(0.005mm)精度范围内。由于传感器探测的是钻头和线路板的接触情况,所以精度不会受线路板上碎屑、板面变化及周围毛刺的影响,传感器还可以监测钻头在0.002?(0.05mm)至0.250?(6.35mm)范围内的磨损情况。深度控制微过孔钻孔系统目前采用的就是这种技术。

另外,钻头也在变化。现正在开发一种用于盲孔加工的特殊钻头,工程技术人员也尝试用凹槽式设计及硬质合金钻头,希望藉此能够提高精度延长钻头的寿命,降低每个孔的制作成本。图2所示的是一种特殊设计的钻头,可用于改良盲孔的成型。

激光蚀刻

在孔径大于0.008?(200um)的场合基本上都使用机械式钻孔,而较小孔径则主要应用激光钻孔。激光钻孔的孔径最小为0.001?(25um),一般标准孔径为0.004?(100um)至0.006?(150um)。

直到1999年年底,激光钻孔还仅在少数几个产品中使用,那时全世界只有400台设备,其中300台在日本,均用于第一代激光钻孔工艺:未覆铜材料的CO₂钻孔。预计到2002年激光钻孔的数量将会有很大的增加,因为那时移动电话需求量估计会达到3.5亿部。为生产出足够的印刷线路板,将需要2,000台激光钻孔设备,这个数字还没包括小型因特网接入设备、个人电脑和其他设备的需求。

激光蚀刻钻孔工艺包括直接电介体钻孔、共形掩膜钻孔和完孔成形三种。直接电介体钻孔是用CO₂激光束照射材料表面,每发出一次激光脉冲就有一部分材料被蚀刻掉,然后在下一步工序中对材料整个表面进行电镀。该工艺的特点是钻孔速度快,但由于CO₂激光的分辨率太低,其孔径不能低于0.004?(100um)；另外未覆铜材料还存在共面和精确度等问题。

共形掩膜钻孔是用CO₂激光在覆铜层已经经过腐蚀的电介材料上钻孔。在光刻工艺中,覆铜层通过化学方法先作完腐蚀,这时它就如同一个掩膜,使CO₂激光只作用于电介材料上。目前使用的是无需装备外部激光气的最新式射频激励密封CO₂激光,这种激光束具有质量好(TEM00)、重复率高(20kHz以上)及持久耐用等特点。

将这些特点和快速扫描仪(每秒超过1,000点)及快速操纵系统如带线性马达(最高2,500IPM)的工作台等结合起来,可以使钻孔速度达到每分钟60,000孔(1mm间隔)。由于覆铜层已预先腐蚀掉,所以孔的直径与激光波长无关,在25um至250um之间。

完孔成形使用两种激光,即UV激光与CO₂激光,目前最新的技术是固态UV激光,它利用二极管吸收方式激励激光棒。一个典型的完孔成形系统可产生两种激光:吸收二极管产生的355um UV激光(脉冲重复率高达100kHz)以及CO₂激光。UV激光用来除去铜层,CO₂激光用来去除电介质,该工艺已在很多不同的工业中分别得到开发应用,其中主要是在美国和欧洲的一些国家。

UV激光以一种称为环钻的方式移动,激光束开始照在孔的中心,然后环绕中心作同心圆移动,同心圆直径依次增大直至将整个区域的覆铜层都蚀刻掉。铜层去掉以后再用CO₂激光去除电介质,这时剩余的覆铜层就作为CO₂激光的掩膜。这种工艺的优点是孔径可以小至0.002?(50um)而且很精确,同时每分钟钻孔数量可达5,000个以上。该工艺也可用于多层线路板的钻孔。

传统弧灯只有400～500小时寿命,而二极管的使用寿命一般都超过10,000小时,所以二极管吸收式激光有助于提高产量和延长使用寿命。由于激光二极管的寿命可以预测得到,因此维修更换就可以事先计划好,减少了维修时间和意外停机。另外二极管吸收式激光稳定性很高,波动小,所以孔的一致性很高。

为了适应生产的需要,多数激光钻孔系统都带有自动化装置。最新式设备配有为两套激光系统供料的自动装卸装置,该装置位于机器中间,装有送料架和堆叠装货的小车,为两台激光钻孔系统送料和卸料,并可在钻孔的同时将线路板翻转过来。每两台激光系统使用一台自动装卸装置可以节省投资和场地。

线路板装到真空吸盘上后,要用对位标记使钻孔光束与线路板相配,可利用通孔或线路板上的图形作为标记。对位标记既可以用机械方法形成,也可以用激光对最上层铜箔蚀刻制成。图形处理系统读取到对位标记后,程序就可对线路板进行自动对位、偏位补偿、旋转、伸长以及缩小等处理。由于供应商不同,有时会使用两个、三个、四个或更多对位标记。

钻孔工艺的加工时间取决于所用的硬件(如扫描仪、工作台)以及使用的方法。可提高激光系统产量的步进技术能使激光源频率更高、扫描仪每秒扫描区域更大及工作台速度更快；缩短加工时间的方法则包括将激光束分到多个工作台上、使扫描仪和工作台移动同步以便在工作台移动时钻孔以及同时对两个或多个区域进行并行处理等等。

应用实例

用户A:中小规模PCB制造商,所需过孔的孔径为0.006?(0.15mm)或更大,产量相对较低。该用户合适的选择是机械钻孔系统。

用户B:过孔要求为孔径0.004～0.006?(0.1～0.15mm),中等产量。加工这种孔不需要用激光,但采用激光钻孔可提高产量,是否采用激光钻孔取决于资金的多少。此例中机械钻孔和激光钻孔都可以满足加工要求。

用户C:过孔要求为孔径0.004?(0.1mm)或更小。这时即使产量很低也要采用激光钻孔,因为用机械钻孔方法不能满足技术要求。

用户D:该客户加工的孔径范围大,而且产量高。此时可采用多种加工工艺,利用机械钻孔和激光钻孔相结合的办法,使产量达到最高以及单位钻孔费用最低。

本文结论

激光钻孔还是一种新兴技术,对于加工小于0.006?(150um)孔径的微孔而言它是一种最经济的方法,现在总的趋势是朝覆铜材料和双激光加工方向发展。机械钻孔则是一种成熟的技术,同时也有新的发展,如加工0.004?(100um)或以上过孔时的深度控制。在加工通孔和盲孔时,机械钻孔依然是最经济的钻孔方法。随着平均失效时间(MTBF)以及产能的不断改进,今后将会出现更为经济的激光钻孔系统。